KR20160147881A - 전기화학 전지 - Google Patents
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Abstract
주변 환경으로부터 가스를 검출하기 위한 전기화학 전지. 상기 전지는 전해질, 및 상기 전해질 및 존재할 때 검출되는 상기 가스와 유체 연통하는 감지 전극을 포함한다. 상기 전지는 상기 전해질과 유체 연통하는 대향 전극을 더 포함하고, 또한 상기 대향 전극에 인접하는 캐비티 내에 제공된 반응 가스의 소스를 포함하며, 감지 전극에서 검출되는 상기 가스의 반응은 대향 전극에서 반응 가스의 반응을 일으키고, 상기 캐비티는 막으로 형성되거나 막을 포함한다. 상기 전지는 또한 감지 전극과 대향 전극 사이에서 축 방향으로 연장되는 심지(wick), 및 상기 심지를 둘러싸는 저장조를 가질 수 있다.
Description
본 발명은 전기화학 전지에 관한 것이며, 특히, 그러나 이것으로 한정되는 것은 아닌, 가스 검출기에 사용되는 전기화학 전지에 관한 것이다.
전류측정 전기화학 전지는 가정 환경에서 일산화탄소의 검출을 위한 사용을 포함하여, 환경에서 다양한 가스의 검출을 위한 광범위한 사용이 알려져 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 전지(10)는 두 개 또는 세 개의 가스 전극 - 작동 또는 감지 전극(12), 대향 전극(14), 및 임의적으로, 기준 전극(미도시)을 포함한다. 저비용 전지에서, 기준 전극이 종종 생략되고, 대향 전극은 결합된 대향/기준 전극으로서 기능한다. 이들 전극들의 세 개(두 개)는 모두 가스 투과성 막 또는 기판(18, 20) 상에 담지된 매우 높은 표면적의 촉매 금속(또는 다른 전도성 재료)(12, 14)를 포함한다. 전해질(16), 예를 들어 산은 통상적으로 낮은 습도의 조건에서 심지(17) 내에 완전히 포함되어 있다. 심지(17)는 이하에서 설명되는 화학 반응이 일어날 수 있도록 전해질을 유지하고 감지 전극(12)에 공급하는 작용을한다. 전지(10)는 전해질(16)을 위한 저장조(11)를 형성하는 하우징을 포함하며, 대상 가스가 들어갈 수 있는 확산 홀(22)이 구비된다.
작동의 기본 원리는 가스가 확산 홀(22)을 통해 전지(10)로 들어가는 것이다. 가스는 감지 전극(12)의 가스 투과성 막(18)을 통과하여 촉매(12)와 접촉한다. 반응은 촉매(12)와 산성 전해질(16)의 계면(즉, 가스, 액체 및 고체의 교차로)에서 일어난다. 이 반응은 외부 회로(24)를 통해 공급되는 전자들의 수(감지된 가스에 따른 정확한 수)를 방출(release)하거나 소비한다.
예를 들어, 일산화탄소(CO)를 감지하도록 구성된 전지에서, 가스는 감지 전극(12)의 표면에서 산화되어 양의 수소 이온(H+) 및 음의 전자(e-)를 생성한다.
2CO + 2H2O → 2CO2 + 4H+ + 4e-
양이온은 전해질(16)을 통해 대향 전극(14)으로 이동하고, 음으로 하전된 전자는 회로(24)를 통해 대향 전극(14)으로 이동한다. 반응은 대향 전극(14)에서 완료된다.
4H+ + 4e- + O2 → 2H2O
전체 반응은 이하와 같다.
2CO + O2 → 2CO2
작동 전극(12)은 환경으로부터의 가스가 전지(10)로 들어가서 기판(18)을 통해 투과하도록 배열되며, 여기서 환경 가스에 존재하는 '대상 가스'(즉, 감지될 가스)가 완전히 반응한다. 기판(18)에서 반응하는 각각의 가스 분자는 고정된 수의 전자(반응하는 가스에 따른 수)를 생성하고, 생성된 전류의 측정은 그 후 전지에 들어간 가스의 분자 수와 관련될 수 있으며, 이것은 환경에서 대상 가스의 농도에 정비례한다. 생성된 전류를 측정/유도하는데 전류계, 전압계 또는 다른 회로(24)가 사용될 수 있다.
그러나, 대향 전극과 기준 전극은 상이하다. 공기에서 대상 가스의 측정을 위해서, 대향/기준 전극(14)이 일반적으로 산소와 반응하도록 구성된다. 이 산소는 가스, 액체(전해질) 및 고체(촉매)의 계면에서 금속 촉매(14)를 접촉할 필요가 있다. 이론적으로, 이 산소는 두 위치 중 하나: 전지(10) 내부의 공기로부터 또는 전해질(16)에 용해된 산소 가스로부터 들어온다. 그러나, 전해질(16) 내의 산소의 용해도가 매우 낮고, 전지(10) 내부의 공기에서 산소의 농도는 상대적으로 높으며, 따라서 전지(10) 내부로부터의 산소가 대향/기준 전극(14)에서 소비된다. 이 산소는 상술한 바와 같은 고체/액체 계면에 도달하기 위하여, 투과성 막(20)을 통해 투과함으로써 금속/전해질 계면(14, 20)에 도달해야한다.
전기화학 전지의 효율적이고 안정적인 작동 및 성능에 영향을 주는 여러 요인들이 있다.
특정 조건들 또는 조건들의 조합에 따라, 대향 전극(14)에서 산소 고갈 정도가 일어나며, 그 결과 바이어스 전압의 생성으로 인한 전기화학적 효율이 감소할 수 있다. 이것은 대상 가스의 공지된 농도에 대해 예상된 전류의 감소를 초래하며, 결과적으로 가스 농도의 잘못된(낮은) 판독을 초래한다. 이러한 조건들은 전지의 배향, 전해질(16)의 수화(hydration) 정도 및 긴 노출 시간 동안 대상 가스의 높은 농도를 포함한다. 또한, 이들 조건들의 조합은 비 이상적인 성능의 경향을 증가시킬 수 있으며, 이는 가스 농도의 잘못된 측정을 초래할 수 있어서 바람직하지 않다.
산성 전해질은 일반적으로 사실상 흡습성(hygroscopic)이다. 즉, 이것은 산(16)의 강도가 외부 대기 습도와 평형이 될 때까지 환경으로부터 수분을 흡수 또는 탈착할 것이다. 이러한 수분의 흡수 또는 탈착은 산성 전해질(16)의 체적 변화를 수반한다. 이러한 전지에 사용되는 종래의 산성 전해질, 황산에 대해, 전형적인 하부 작동 습도(15%)로부터 전형적인 상부 작동 습도(90%)로의 체적 변화는 4배만큼 큰 요인일 수 있다. 따라서, 전기화학 전지의 설계는, 가장 높은 작동 습도에서는, 전지(10)가 새거나(leak) 파열될(burst) 정도로 채워져 있지 않도록 하고, 반면에 가장 낮은 습도에서는, 양쪽 전극들의 표면이 완전히 적셔지고 두 전극들 사이에서(심지 재료를 통해) 연속적인 유체 경로가 있는 것을 보장할 만큼 체적이 충분히 크게 되도록 해야한다.
알려진 전지는 모두 효과적으로 전해질 체적에서 팽창을 수용하도록 전극들 사이에 또는 전극들 아래에 위치하는 축 방향 저장조를 포함한다.
전극들(12, 14) 사이에 있는 저장조에 대해, 이러한 큰 저장조는 보다 낮은 습도에서 전극들(12, 14) 사이에 높은 내부 저항을 생성할 수 있으며, 전극들 사이의 상대적으로 큰 거리 및 하부 이온 전도도(conductivity)로 인하여 산성 전해질은 더 탈수된다(따라서, 적은 체적을 가짐).
하부 전극(14) 아래에 있는 저장조의 경우, 유리 산(free acid)이 '메인(main)' 심지(17)로 전달되는 것을 보장하기 위해, 심지(또는 다른 위킹 메커니즘)의 추가적인 박편(thin piece)에 대한 필요성이 종종 있다. 그러나, 이러한 위킹(wicking)이 항상 효과적으로 일어나는 것은 아니며, 반복된 수화/탈수 사이클로 문제가 발생할 수 있다. 이것은 심지의 이러한 박편이 비교적 길 필요가 있다는 사실에 의해 증폭된다. 또한, 제조하는 동안에 이 재료의 위치는 복잡하며, 쉽게 자동화할 수 없다.
또한, 축 방향 저장조에 대한 필요성은 전지의 특정 물리적 구조를 부과하고, 전지의 높이를 대략적으로 최소 20mm로 결정한다. 가정용 일산화탄소 검출기의 경우, 이 높이는 검출기에서 사용할 수 가능한 설계 옵션을 제약한다.
본 발명의 양태 및 실시예들은 상술한 것들 중 하나 이상을 염두에 두고 설계되었다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 제1항에 기재된 바와 같은, 가스를 검출하기 위한 전기화학 전지를 제공한다.
전기화학 전지는, 원칙적으로 임의의 가스, 예를 들면 산화성 및 환원성 가스를 검출하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 전기화학 전지는 표준 환경 상태의 위치에서, 즉 전지 주변의 공기에서 대상 가스를 감지하기 위해, 이용될 가능성이 있다. 이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전기화학 전지는, 이후 대향 전극 또는 대향/기준 전극에 인접한 반응 가스의 소스가 산소의 소스일 것을 요구하는 산화성 가스를 검출하는데 특히 적합하다. 따라서, 대향 전극 또는 대향/기준 전극에 인접한 반응 가스의 소스는 공기이거나 공기에 가깝게 유사할 수 있다. 전지가 유휴 상태일 때(즉, 검출 없음), 반응 가스, 예를 들면 산소는 메인(main) 전지 본체로부터의 확산에 의해 보충될 수 있다.
바람직하게, 반응 가스의 소스는 대향 전극에 인접하게 제공하는 가스 캐비티이다. 가스 캐비티는 대향 전극을 적어도 일부 또는 전부 덮도록 치수설정될 수 있다. 가스 캐비티는 바람직하게 적어도 대향 전극에 반응 가스의 충분한 소스를 제공하도록 치수설정된다. 바람직하게, 가스 캐비티는 전지 외부의 가스 분위기로부터 밀봉된다. 이것은 기준 전극이 잘 수행되기 위해, 대상 가스가 기준/대향 전극에 전혀 도달하지 않아야 하기 때문이다. 가스 캐비티 내에 제공된 가스의 체적은 미리 정해질 수 있다.
감지 전극, 대향 전극 및 가스 캐비티는 하우징에 제공될 수 있다. 바람직하게, 하우징은, 대상 가스의 검출을 위해 제공된 입구로부터 떨어져서, 전지 외부의 가스 분위기에 불투과성이고/이거나 전지 외부의 가스 분위기로부터 밀봉된다. 일 실시예에서, 가스 캐비티는 대향 전극과 하우징 사이에서 제공된다. 가스 캐비티는 하우징에 고정되고/되거나 대향 전극에 밀봉될 수 있다. 가스 캐비티는 가요성 구조일 수 있다. 가스 캐비티는 전지의 내부와 유체 연통하는 가스 투과성 또는 반투과성 막을 사용하여 형성될 수 있다. 일반적으로, 대향 전극은 막 또는 기판 상에 장착된다. 이것은 동일한 가스 투과성 또는 반투과성 막이거나, 또는 추가적인 막일 수 있다. 일 실시예에서, 가스 캐비티는 상기 캐비티 내로부터의 가스를 전지 내부의 가스로 연통한다. 가스 캐비티는 바람직하게 전해질에 불투과성이고 가스에 투과성이다.
전기화학 전지는 심지를 더 포함할 수 있다. 감지 전극, 심지, 대향 전극 및 가스 캐비티는 바람직하게 서로에 대해 축 방향으로 정렬된다. 감지 전극, 심지, 대향 전극 및 가스 캐비티는 스택을 형성할 수 있다.
대향 전극은 결합된 대향/기준 전극으로서 작용할 수 있다. 전기화학 전지는 하나 이상의 추가 전극을 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제3 전극 또는 기준 전극이 제공된다. 다른 실시예에서, 제2 감지 전극 또는 작동 전극인 제4 전극이 제공될 수 있다.
본 발명의 제1 양태의 실시예에서, 가스 소스 또는 캐비티를 사용하는 효과는, 대향 전극의 "자유(free)" 표면(즉, 심지로부터 먼 쪽)은 전해질이 없이 유지된다는 것이다. 이것은, 다른 가능한 것보다 대향 전극에 산소 공급을 증가시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 양태의 실시예들은 유리하게, 대향 전극에서 산소의 고갈을 방지함으로써 전지의 전기화학적 효율을 극대화한다. 이러한 실시예에서, 전지의 배향에 상관없이 성능이 유지되어서, 전지가 다양한 설비 및 장소에서 사용될 수 있게 한다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 제23항에 기재된 바와 같은 전기화학 전지가 제공된다. 전기화학 전지는 유리하게, 임의의 가스, 예를 들면 산화성 및 환원성 가스를 검출하기 위해 사용될 수 있다.
전지가, 전극들 사이 또는 아래에 위치하는 축 방향 저장조를 포함하는 공지의 종래 기술의 배열과는 달리, 본 발명의 저장조는 심지를 둘러싼다. 이러한 배열에서, 저장조 내의 전해질의 대부분은, 둘레방향으로, 측면방향으로, 반경방향으로 또는 원주방향으로, 심지 주위에 제공된다. 즉, 기껏해야 단지 그 소수 부분이 심지 위 및/또는 아래에 제공된다. 이것은 심지에 의한 전해질의 흡수를 도와서, 전극으로 전해질의 수송을 촉진한다.
바람직하게, 저장조는 주로 심지에 횡 방향으로 연장된다. 보다 바람직하게, 저장조는 심지를 둘러싼 환형 저장조이다.
바람직하게, 감지 전극, 심지 및 대향 전극은 서로에 대해 축 방향으로 배열되어 스택을 형성하고, 저장조는 주로 상기 스택에 횡 방향으로 연장된다. 저장조는 바람직하게 스택을 둘러싸거나 또는 적어도 부분적으로 둘러싼다.
일 실시예에서, 제2 심지가 또한 제공된다. 바람직하게, 제2 심지는 심지에 횡 방향으로 연장된다. 제2 심지는 박편 엘리먼트이거나 또는 박편 엘리먼트를 포함할 수 있다. 제2 심지는 환상일 수 있다.
감지 전극, 대향 전극 및 심지는 바람직하게 하우징에서 제공되며, 상기 하우징은 저장조를 형성한다. 선택적으로, 상기 하우징의 내부에 별도의 저장조가 제공될 수 있다.
대향 전극은 결합된 대향/기준 전극으로서 작용할 수 있다. 전기화학 전지는 하나 이상의 추가 전극을 더 포함할 수 있다. 전기화학 전지는 제3 전극 또는 기준 전극을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 전지는 하나 이상의 추가적인 제2 감지 또는 작동 전극을 포함한다.
본 발명의 제2 양태의 실시예들은 전극들 사이의 저장조를 배치할 필요성을 방지하며, 이는 바람직하게, 달리 전극들 사이에서 발생할 수 있는 높은 내부 저항을 방지한다. 저장조의 제공 및 이에 따라 축 방향으로 배열된 전극들에 실질적으로 횡 방향인 전해질은 바람직하게, 두 전극들 사이의 거리가 최소로 유지될 수 있도록 하여, 전지의 전체 높이를 감소시키고, 본 발명의 실시예의 전지의 유용성을 명백하게 증가시킨다. 심지 주변에 횡 방향의 저장조의 배열은 전해질이 모든 면으로부터 심지에 들어갈 수 있음을 의미하며, 유리하게 저장소와 심지 사이의 효과적인 전해질 연통 경로를 증가시킨다. 이러한 배열은 또한 전지가 배향 효과로부터 완전히 영향을 받지 않는 것을 의미한다.
본 발명의 제3 양태에 따르면, 제37항에 기재된 바와 같은 가스 검출기가 제공된다.
원칙적으로, 상기 가스 검출기는 하나 이상의 산화성 또는 환원성 가스를 검출하기 위해 구성될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 상기 가스 검출기는 하나 이상의 산화성 가스를 검출하도록 구성된다. 상기 검출기는 특히, 암모니아, 일산화탄소, 염소, 디보란, 불소, 히드라진, 수소, 시안화수소, 불화수소, 셀렌화수소, 황화수소, 염화수소, 브롬화수소, 아르신, 메르캅탄, 산화질소, 포스겐, 포스핀, 실란 또는 이산화황 중 하나 이상을 검출하기 위해 구성될 수 있다. 이들 가스는 단지 예로서 제공되며, 본 발명의 실시예들이 이들 가스의 검출에 한정되는 것은 아니다.
상술한 바와 같이, 원칙적으로, 본 발명의 실시예는 또한 환원성 가스를 검출하는데 이용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 반응 가스는 수소일 수 있거나 또는 수소를 함유할 수 있다. 이러한 실시예에서는, 전지 내부의 가스로부터 반응 가스를 보충하기 어려울 수 있어서, 추가의 반응 가스 보충 소스를 제공할 필요가 있을 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예 및 양태는 동일한 전기화학 전지 및/또는 가스 검출기 내에서 임의의 조합으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 전기화학 전지는 제1항 및 제23항 모두의 특성을 포함하고, 그 종속 청구항들 중 일부 또는 전부를 임의적으로 포함할 수 있다. 이러한 전지는 본 발명의 제3 양태의 실시예에 따른 가스 검출에 이용될 수 있다.
이하의 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기화학 전지의 개략적인 단면도이고;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기화학 전지의 사시 단면도이고;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기화학 전지의 전면 사시도;
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기화학 전지의 개략적인 단면도이고;
도 6의 (a) 내지 (c)는 다양한 수화 및 배향 조건에서 공지된 전기화학 전지를 도시한 개략적인 단면도이고;
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기화학 전지의 개략적인 단면도이고;
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전기화학 전지를 포함하는 일산화탄소 검출기를 위한 예시적인 제어 회로이고; 그리고
도 9는 참조와 비교하여, 본 발명의 실시예의 전지를 사용하여 얻어진 성능 결과를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기화학 전지의 개략적인 단면도이고;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기화학 전지의 사시 단면도이고;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기화학 전지의 전면 사시도;
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기화학 전지의 개략적인 단면도이고;
도 6의 (a) 내지 (c)는 다양한 수화 및 배향 조건에서 공지된 전기화학 전지를 도시한 개략적인 단면도이고;
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기화학 전지의 개략적인 단면도이고;
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전기화학 전지를 포함하는 일산화탄소 검출기를 위한 예시적인 제어 회로이고; 그리고
도 9는 참조와 비교하여, 본 발명의 실시예의 전지를 사용하여 얻어진 성능 결과를 나타낸다.
본 발명의 제1 양태는 다수의 상이한 방식들로 구현될 수 있지만, 본 발명의 실시예의 예시적인 기본 구조는 도 2 내지 4에 도시된다. 상술한 종래 배열과 공통적인 특성은 동일한 참조 부호를 사용하여 도시된다. 이는 전기화학 전지(10)가 감지 전극(12), 및 대향 전극 또는 대향/기준 전극(14)을 포함하는 것을 알 수 있다. 도시되지는 않았지만, 별도의 기준 전극이 제공되어서, 전극(14)은 그후 대향 전극으로서 순수하게 작용할 수 있다.
각 전극(12, 14)은 바람직하게, 각각의 가스 투과성 막(18, 20)에 담지된 매우 높은 표면적의 촉매(12, 14)를 포함한다. 막(18, 20)은 다공성 PTFE일 수 있다. 촉매(12, 14)는 금속, 예를 들어 미세하게 분할된 백금 촉매, 또는 기타 전도성 재료, 예를 들면 흑연일 수 있다. 소량의 PTFE 결합 재료가 촉매(12, 14)를 막(18, 20)에 결합하는데 이용될 수 있다.
전극(12, 14)은 액상 전해질(16)과 접촉한다. 전해질(16)은 산성, 예를 들면 황산일 수 있다. 다른 실시예에서, 전해질은 알칼리성 또는 중성일 수 있다. 수성 전해질이 사용될 수 있고, 비 수성 전해질이라도 특정 전지에 사용될 수 있다. 전해질(16)은 통상적으로 가장 낮은 습도의 조건에서 심지(17) 내에 주로 함유된다. 심지(17)의 목적은 전해질(16)과 전극들(12, 14) 사이에 유체 연통을 보장하기 위한 것이다. 심지(17)는 유리 섬유 재료로 형성될 수 있다. 따라서, 통상적으로, 전지 구성요소들은 "적층"된다. 대향 전극 기판(20) 상에 전도성 층(14)이 제공되고, 심지(17)는 이에 인접한다. 전도성 감지 전극(12)은 심지(17)에 인접하여 제공되고, 감지 전극 기판(18)의 반대면 상에 제공된다. 구성요소가 수직으로 배열되고 대향 전극(14)이 최하부에 배치되어 있는, 도 2 내지 4에 도시된 배향은 제한적인 것이 아니며, 본 발명의 실시예는 다른 배향으로 사용될 수 있다.
상기 설명되고 도 2 및 3에 도시된 실시예는 두 개의 전극(12, 14)을 포함하지만, 제3의 기준 전극(도시되지 않음)도 포함될 수 있다. 이에 따라, 대향 전극(14)이 결합된 대향/기준 전극으로 사용될 필요는 없다. 또한, 도면에 도시되지 않은 다른 실시예에서, 전지(10)는 더 많은 전극들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전지(10)는 네 개의 전극들: 두 개의 작동/감지 전극, 대향 전극 및 기준 전극을 포함할 수 있다. 이러한 전지는 동시에 2가지 가스의 검출을 위해 사용될 수 있다.
전지(10)는 대상 가스가 들어갈 수 있는 확산 홀(22)이 제공된 하우징을 포함한다. 하우징(10)은 플라스틱 물질, 예를 들면 ABS(아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌), 탄소 충진 ABS, 또는 전해질(16)에 대해 내성이고 및 불투과성인 다른 물질로 형성될 수 있다. 하우징은 전해질(16)을 위한 저장조(11)를 형성한다. 선택적으로, 별도의 저장조 인클로저(reservoir enclosure)가 하우징(10) 내에 제공될 수 있다. 어느 경우에도, (도 3에 도시된 바와 같은) 하나 이상의 추가적인 밀봉 및/또는 필터 수단(27)이 확산 홀(22)에 또는 그 근방에 제공될 수 있다. 필터(27)는 전극(12)에 도달하는 것이 바람직하지 않은 임의의 불필요한 가스를 걸러 내거나, 또는 감지되는 가스가 챔버(11)로 들어가는 것을 허용한다. 필터(27) 또는 밀봉 부재는 하우징/저장조(11) 내에 전해질(16)을 함유하는 것을 추가로 도와줄 수 있다. 감지 전극(12)은 또한 전해질(16)이 전극(12) 위를 침입(encroach)할 수 없도록 전지 본체에 밀봉될 수 있다.
전지(10) 및 이의 구성요소는 다양한 형태를 취할 수 있다. 일 실시예에서, 전극 기판(18, 20)의 PTFE 막은 약 140-250 미크론(micron)의 두께를 가질 수 있다. 각 전극(12, 14)은 직경이 대략 3mm 내지 25mm일 수 있다. 일 실시예에서, 직경은 대략 5mm이다. 촉매층(12, 14)의 높이는 통상적으로 약 10㎛ 내지 100㎛일 수 있다. 심지(17)의 두께는 약 0.25mm 내지 20mm일 수 있다. 일 실시예에서, 두께는 대략 5mm이다.
전극(12, 14), 기판(18, 20), 저장조(11)/하우징(10) 및 심지(17)는 바람직하게 (도 3 및 4에 도시된 바와 같이) 원형/원통형이지만, 다른 실시예에서 다르게 구성될 수 있다.
도 2 내지 5의 실시예에서, 가스 소스, 예를 들어 캐비티(26)가 또한 제공된다. 도시된 실시예에서, 가스 캐비티(26)는 전지(10) 내부의 가스와 유체 연통한다. 본 발명의 실시예는 표준 대기압 조건(즉, 전지(10)가 공기에 의해 둘러싸임)에서 가장 유용하게 사용될 수 있다. 이와 같이, 가스 캐비티(26) 내부의 가스는 일반적으로 공기이거나 공기와 유사한 성분을 포함할 것이다. 이러한 표준 조건에서 사용되는 경우, 전지(10)의 감지 전극(12)은 산화성 가스와 반응하도록 구성되며, 대향 전극(14)은 산소와 반응하도록 구성될 것이다. 따라서, 본원에 관한 참조는 주로, 전지(10)가 표준 조건에서 사용되는 실시예들에 관한 것이지만, 보호범위가 이에 한정되지는 않는다는 것을 이해해야 한다.
가스 소스/캐비티(26)는 대향 전극(14)과 유체 연통하고, 바람직하게 대향 전극(14)에 인접하게, 예를 들어 대향 전극(14)의 뒤에 또는 아래에 위치한다. 전해질(16)은 공기 캐비티(26)로 들어갈 수 없지만, 가스 투과성 막(20)은 산소(및 다른 가스들)가 캐비티(26)로 들어가는 것을 허용한다. 추가적인 가스 투과성/반투과성 막 또는 층(도시되지 않음)이 캐비티(26)를 밀봉하도록 제공되어서, 예를 들어 전극(14, 20)과 캐비티(26)가 별도로 구성될 수 있게 한다. 따라서, 캐비티(26)는 전지(10) 내의 전해질이 대향 전극(14)의 후면(rear)을 덮는 것을 방지한다. 이것은, 그렇지 않으면 전해질이 전극(14)의 후면을 완전히 덮어서 가스 접근을 방지하는 경우에 일어날 수 있는, 대향 전극(14)에서의 산소 고갈을 방지한다. 캐비티(14)의 밀봉 특성은, 이하에서 보다 상세히 논의되는 바와 같이, 전지(10)가 배향 및 수화 문제에 영향을 받지 않는 것을 의미한다.
가스 캐비티(26)는 대향 전극(14)의 후면(20a)의 전체를 덮을 필요는 없지만, 산소 고갈이 일어날 수 없도록 충분한 "개방 영역(open area)"을 제공해야 한다. 이 영역은 가능한 크게 제공되도록 하는 것이 바람직하다. 도 2 또는 3의 실시예에서, 가스 캐비티(26)는 대향 전극(14)의 후면(20a)의 대부분을 덮지만, 선택적으로 대향 전극(14)의 전체 후면(20a)을 커버할 수 있다. 캐비티(26)의 체적은 전지(10)가 극한 조건 하에서도 예상된 성능 특성 내에서 계속 동작하는 것을 보장하기 위해 필요한 산소의 양을 제공하도록 선택될 수 있다. 캐비티(26)를 덮는데 요구되는 대향 전극 표면(20a)의 면적을 전지(10)가 검출해야 할 가능성이 대상 가스의 양에 따라 다르다. 예로서, 가정 환경에서의 CO 전지(10)의 경우, 400ppm(parts per million)에서 일반적인 알람 시간은 3분이다. 약 1 mm의 깊이를 갖지만 전극 면적의 대부분을 덮는 캐비티(26)는, 400ppm에서 4시간 동안, 캐비티(26)에서 이용가능한 산소의 10% 미만이 소모되는 것을 보장한다. 캐비티(26) 체적/치수는 또한 전지(10)의 원하는 크기 및 구성에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 전지(10)의 전체 높이가 최소로 유지되는 것이 바람직한 경우, 넓고 짧은 캐비티(26)가 제공될 수 있다.
도 2 또는 3의 실시예에서, 캐비티(26)는 대향 전극(14)의 후면(20a)과 전지 하우징(10)의 베이스 사이의 밀봉된 영역이다. 캐비티(26)는 중공(hollow), 예를 들어 관형 부재이거나 이를 포함할 수 있으며, 또는 그 일면에 걸쳐 개방되어 있는 컨테이너일 수 있다. 전극(14, 20)은 캐비티(26)에 고정된다. 필요한 경우, 캐비티(26)는 하우징의 내부에 고정될 수 있다. 캐비티(26)의 고정은 다수의 상이한 수단에 의해, 예를 들어 클램핑(clamping), 밀봉(sealing), 용접(welding), 접착(gluing) 또는 가스켓으로 고정(fixing with a gasket)에 의해 달성될 수 있다. 캐비티(26)는 전지 본체(10)의 베이스에 고정될 필요는 없으며, 도 5에 도시된 바와 같이, 전지 본체(10) 내에서 프리 스탠딩 구조(free standing structure)로서 대향 전극(14)의 후면(20a)에 밀봉될 수 있다. 선택적으로, 도면에 도시되지는 않았지만, 가스 캐비티(26)는 가스 투과성 막으로부터 완전하게 형성되고, 따라서 완전히 가요성 구조일 수 있다. 일 실시예에서, 캐비티(26)는, 두 개의 자유 단부가 만나거나 (임의의 적절한 수단을 사용하여) 함께 접합되어서 그 내부에 캐비티(26)를 형성하는 환형/관형 구조를 형성하도록 곡선으로 라운딩된(curved round), 가요성 가스 투과성 재료의 긴 스트립에 의해 형성될 수 있다. 외주면 영역은, 후술하는 바와 같이, 대향 전극(14)에서 반응된 후, 전지(10) 내부의 다른 곳으로부터의 산소로 캐비티(26)를 보충하기 위하여 양호한 유체 연통 경로를 제공할 수 있다.
대향 전극(14)이 효과적으로 작동하기 위하여, 산소 가스는 투과성 막(20)을 통과함으로써 대향 전극(14)에 들어가야 한다. 이것이 일어나기 위해서는, 대향 전극(14)의 후면(20a)의 적어도 일부가 "건조(dry)", 즉 전해질이 없어야 한다. 그렇지 않은 경우, 전해질(16)은 산소 가스가 막(14) 및 대향 전극(14)을 통과하는 것을 방해한다.
대향 전극(14)의 후면(20a)의 적어도 일부의 건조는 필요한 산소 소스를 제공하는 인접한 가스 소스 또는 캐비티(26)의 제공을 통해 이루어진다. 캐비티(26) 내의 산소는 전지(10)가 가스를 검출할 때 소모되므로, 상술한 바와 같이, 전지(10)가 계속해서 효과적으로 작동하기 위해서 가스 캐비티(26)는 산소로 보충되어야 한다. 캐비티(26)는 전지(10)의 외부 환경으로부터 밀봉되며, 따라서, 단지 산소만 전지(10) 내부로부터 보충될 수 있다. 전해질(16)이 캐비티(26)로 들어가는 것은 바람직하지 않으므로, 상술한 바와 같이, 캐비티(26)는 반투과성 막이거나 반투과성 막을 포함할 수 있다. 대부분의 실제적인 실시예에서, 전지(10) 외부의 가스는 공기이다. 캐비티/막(26)은 전지(10) 내부에 있는 가스와 유체 접촉하고, 전지(10)는 확산 홀(22)을 통해 전지(10)의 외부 공기와 유체 접촉한다. 이와 같이, 캐비티(26) 내부의 가스는 또한 공기(또는 반투과성 막은 전지 내의 가스의 실제 조성에 약간의 차이가 일으킬 수 있으므로, 공기와 관련되거나/유사한 가스)일 것이다.
전지(10)에서 임의의 자유 전해질(16)이 있으면(즉, 심지 내에 함유되지 않음), 전지의 배향에 따라, 이러한 유리 산(16)은 그 위치에 캐비티(26)가 밀봉되지 않은 경우 대향 전극(14)의 후면(20a)을 덮을 수 있기 때문에, 잠재적인 문제점이 발생할 수 있다. 도 2 또는 3의 배열에서, 전지(10)가 확산 홀(22) 위쪽으로 배향되는 경우, 이것이 발생할 수 있다. 다른 구성이 알려져 있지만, 이들은 동일한 효과를 받는다. 예를 들어, 작동 전극 및 대향 전극이 하나의 평면 기판 상에 제공되는 전지가 알려져 있다. 전지가 확산 홀 아래쪽으로 배향되는 경우, 이 종류의 전지는 동일한 상태에 놓인다. 또한, 전극(14, 20)이 고체 표면, 예를 들어 전지 하우징(10)에 대해 직접적으로 배치되는 경우, 이것은 또한 전극(20)의 후방으로 들어가는 가스를 막을 수 있으며, 따라서 전극(14, 20)은 전지 하우징(10)으로부터 이격되는 것이 유리하다.
따라서, 전기화학 전지의 경우, 배향은 특정 상황 하에서 전지 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다. 그러나, (전지를 포함하는) 임의의 검출기의 배향이 보장될 수 없으므로, 이것은 이들 전지들에 대해 성능 위험을 나타낸다.
이것은 도 6에 도시되어 있으며, 대향 전극(14)에 인접한 캐비티(26)를 포함하지 않는 공지된 전지에 대해 발생하는 문제를 보여준다. 도 6(a)은, 전해질(16)이 대향 전극(14)의 후면을 완전히 덮은 "완전히 수화된(fully hydrated)" 상태를 나타낸다. 전해질에 용해된 소량의 공기/산소가 있을 것이지만, 이것은 다량의 대상 가스가 감지되는 "높은 사용(high use)" 하에서 대향 전극에 대한 충분한 산소 소스가 되지 않을 수 있다. 따라서, 전해질(16)은 공기가 대향 전극(14)에 도달하는 것을 방지한다. 공지의 전지는, 도 6(b)에 도시된 것과 같은, 최소 수화 상태에서도, 여전히 감지 전극(12)에 전해질(16)을 위한 경로를 제공하는 추가 심지(17')를 포함한다. 추가 심지(17')는 메인 심지(17)와 대향 전극(14) 사이에 위치하는 부분을 포함한다. 본 발명의 실시예는 또한 추가 심지가 구비될 수 있다.
도 6(b)은 전지(10)에 최소 수화가 있는 상태를 도시한다. 여기서, 전극(14)의 후면(20a)은 건조되고, 공기/산소가 전지 및 대향 전극(14) 내에서 쉽게 이용가능하도록 공기/산소의 최대 부피가 대향 전극(15)에 공급될 수 있다.
도 6(c)은, 일부 감지 위치에서 요구될 수 있는 바와 같이, 전지(10)가 반전되는 경우를 도시한다. (도 6(b)에서와 같이) 낮은 체적의 전해질(16)이 존재하지만, 여전히 대향 전극(14)의 후면(20a)을 덮고, 따라서 반투과성 막(20)을 통해 산소의 접근을 방지한다.
전지의 성능에 영향을 미칠 수 있는 다른 요인은 전해질의 수화 정도이다. 전지(10)에서의 전해질(16)은 환경과 동적 평형상태에 있고, 일반적으로 흡습성일 것이다. 이것은, 전지(10)에서 확산 홀(22)을 통한 외부 대기의 습도에 따라, 전해질(16)이 물을 흡수하거나 또는 (천천히) 물을 잃는 것을 의미한다. 고습 조건 하에서, 전해질(16)은 물을 흡수할 것이고, 그 결과 전해질(16)의 체적이 증가할 것이다. 예를 들어, 15% 내지 90% rH(상대 습도)에서 작동하도록 설계된 전지(10)의 경우, 이것은 이러한 극한 조건 사이의 400% 이상의 전해질 체적 변화와 동일할 수 있다. 따라서, 전지(10)가 장시간 동안 고습 환경에 놓여있는 경우, 전해질(16)이 대향 전극(14)의 후면(20a)을 덮고, 따라서, 산소가 전극(14)에 도달하는 것을 방지할 가능성이 극적으로 증가한다.
대향 전극(14)의 후면(20a)에 인접한 공기 캐비티(26)의 제공은 전해질(16)이 대향 전극(14)의 후면(20a)을 덮는 것을 방지하고, 따라서 그렇지 않으면 발생할 수 있는 성능 저하를 방지한다.
전지 성능에 영향을 미칠 수 있는 또 다른 요인은 고농도의 대상 가스에 전지(10)의 긴 노출이다.
임의의 가스 센서의 정상 작동 조건 하에서, 대향 전극(14)에 도달하는 산소의 양은, 전지(10)가 작동 전극(12)에 도달하는 가스의 농도와 직접 관련되는 전류를 생성하는 것을 보장하기에 충분하다. 그러나, 많은 예외 조건 하에서(예를 들어, 장시간 동안 고농도의 대상 가스), 대향 전극(14)에 필요한 산소의 양은 대향 막(20)을 통해 대향 전극(14)에 도달할 수 있는 산소의 양을 초과한다. 이것이 발생하는 경우, 전지(10)로부터의 전류 출력이 감소한다. 전지(10)가 깨끗한 환경에 반환되면(즉, 대상 가스가 존재하지 않음), 전지(10)는 회수된다. 그러나, 이것은, 대향 전극(14) 주위의 산소 환경이 그 주변 상태로 돌아가기 위해 걸리는 시간에 따라 유한의 시간이 걸릴 수 있다.
그러나, 대향 전극(14)의 후면(20a) 상에 공기 캐비티(26)의 제공은, 산소 고갈의 상태가 매우 극단적인 조건 하에서만 도달되도록, 대향 전극(14)에 대해 다량의 산소 소스를 제공한다. 따라서, 전지(10)는 공기 캐비티를 가지지 않는 전지보다 광범위한 조건에 걸쳐 우수하고 일관된 성능으로 작동할 수 있다.
이러한 조건들 중 하나 이상이 동시에 발생한 경우, 이러한 다양한 문제의 효과가 조합될 수 있다. 예를 들어, 고습 조건이고 "불량한(bad)" 배향에서, 대향 전극(14)은 전해질(16)로 완전히 덮일 수 있으며, 따라서 정상 작동 조건 하에서도 산소 고갈이 일어날 수 있다.
도 5를 다시 참조하면, 도시된 조건 하에서, 전해질(16)은, 감지 전극에서 소비될 임의의 산화성 가스를 제외한, 전지의 외부 가스와 평형이다. 따라서, 상술한 바와 같이, 공기는 전해질(16)에 (소량으로) 용해될 것이다. 캐비티(26)는 대향 전극(14)의 후면(20a)에 고정된 불투과성 구조이다. 전극 막(20)이 반투과성이므로, 액체는 이를 통해 캐비티(26)에 투과할 수 없지만, 산소를 포함하는 가스와 같은 가스는 캐비티(26)를 투과할 수 있다. 반투과성 막(20)을 통해 투과된 가스, 예를 들어 산소(26)는 캐비티로 들어가며, 따라서 액체 전해질(16)에서 공기/산소와 평형이 된다. 전해질(16)은 그 안에 용해된 공기/산소를 가지므로, 이 공기/산소는 평형 위치에 도달할 때까지 캐비티(26) 내로 통과할 것이다.
그래서, 전지(10)의 작동 동안, 공기 및 대상 가스(존재한다면)는 확산 홀(22)을 통해 전지(10)에 들어간다. 감지 전극(12)은 임의의 산화성 가스와 반응하여, 이들을 완전히 산화된 형태(예를 들어, CO → C02)로 변환한다. 임의의 산화 가스를 갖는 공기는 전해질(16)에 소량으로 용해되고, 또한 전해질(16)이 완전하게 채워져 있지 않은 전지(10) 내부의 임의의 영역으로 들어갈 것이다. 전해질(16)에 용해된 임의의 가스는 반투과성 막(20)을 통해 천천히 투과할 것이고, 캐비티(26) 내의 가스 조성은 외부 가스 조성과 동일하게 되어 산화성 가스가 제외될 것이다.
수화 또는 배향 조건에 관계없이, 공기 캐비티(26)는 항상 대향 전극(14)에서 일어나는 반응을 위해 준비된 산소 소스를 제공한다. 높은 사용 조건(예를 들어, 4시간 동안 400ppm) 하에서, 가스 캐비티(26)는, 단독의 전해질(16)로부터 제공될 수 있는 것보다 훨씬 높은 양의 산소 소스를 제공한다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 예를 들어, 도 3, 4, 및 7에 도시된 바와 같이, 전해질(16)의 저장조(11)는 주로 메인 심지(17)의 위 또는 아래보다는 주변에서 연장된다. 일부 실시예에서, 저장조(11)는 메인 심지(17)의 (상부 및 하부) 말단의 위 또는 아래로 연장되지 않으며; 다른 실시예에서, 전해질(16)의 대부분은 축 방향의 심지(17) 주위에 횡 방향으로 위치한다. 일부 실시예에서, 저장조(11)는 주로 스택(12, 14, 17)의 위 또는 아래보다는, 전극(12, 14) 및 메인 심지(17)에 의해 형성된 스택 주위에서 연장된다. 다시 말해서, 전해질(16) 및 저장조(11)의 대부분은 심지(17) 또는 스택 주위에 둘레방향으로, 측면방향으로, 반경방향으로 또는 원주방향으로 제공되며, 기껏해야 그 일부만이 심지(17) 또는 스택(12, 14, 17)의 위 및/또는 아래에 제공된다.
따라서, 전해질(16)의 대부분은 심지(17) 또는 스택(12, 14, 17) 주위에 제공되어서 이를 둘러싼다. 이것은, 전해질/저장조가 전극들 사이 또는 전극들 아래에 제공되는 공지된 종래 기술의 배열과 대조적이다. NB. 가스가 이후 전극(12)에 접근할 수 없으므로, 전해질(16)은 작동/감지 전극(12)을 완전히 둘러쌀 수 없고, 전지(10)가 작동될 수 없을 것이다. 그러나, 전해질(16)은 감지 전극(12)을 부분적으로 둘러싸거나 감지 전극(12) 주위에 둘레방향으로 연장될 수 있다. 도 7의 실시양태는 전체 스택을 둘러싸는 저장조(11)로 도시되어 있지만, 감지 전극(12) 위의 영역은 전해질(16)이 결핍되어 있다. 선택적으로, 필요에 따라, 이 영역은 증가 또는 감소하거나, 또는 예를 들어 도 3의 실시양태에서와 같이, 전해질(16)은 스택을 덜 둘러쌀 수 있다. 그러나, 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이, 전해질(16)은 대향 전극(14)을 효과적으로 완전히 둘러싸는 것(즉, 인접 구성요소에 주어진 가능한 최대 범위)이 허용된다. 선택적으로, 전해질(16)은 대향 전극(14)을 단지 부분적으로 둘러쌀 수 있다.
전지(10)는 추가 심지(28) 또는 제2 심지(28)를 더 포함하여, 저장조(11) 내의 전해질(16)이 메인 심지(17)에 이용가능하고 이에 따라 전극(12, 14)에 이용가능한 것을 보장한다. 저장조(11)와 마찬가지로, 추가 심지(28)는 스택(12, 14, 17)의 방향에 횡 방향으로 연장된다. 일 실시예에서, 추가 심지 환형이며 메인 심지(17) 주위에 위치한다. 선택적인 실시예에서, 추가 심지(28)는 다른 형상일 수 있으며, 예를 들어 정사각형, 직사각형, 또는 타원형 등의 형상일 수 있고, 일반전인 또는 불규칙한 형태를 가질 수 있다.
전극(14) 아래(또는 전극들(12, 14) 사이)로부터 심지(17) 또는 전극 스택(12, 14, 17) 주위로, 저장조(11)의 위치의 간단한 재배열은 다음과 같은 장점을 가진다.
원주 저장조(11)의 사용은 바람직하게 메인 심지(17)가 짧게 유지될 수 있게 한다. 이러한 배열은 두 전극들(12, 14) 사이의 거리가 비교적 가깝게 유지될 수 있게 하여, 상술한 높은 내부 저항의 문제를 해소하며, 저장조와 심지(17) 사이에 효과적인 전해질 연통 경로를 달성한다.
또한, 환형의 체적은 반경의 제곱으로 증가하므로, 이러한 배열은 상대적으로 큰 저장조에서 상대적으로 단지 작은 반경 증가가 생성될 수 있게 한다.
하부 전극 아래에 저장조를 갖는 공지된 전기화학 전지에서, 평면 부분 및 이로부터 수직 하방으로 저장조로 연장되는 두 부분을 포함하는 심지의 추가적인 박편을 이용하는 것이 알려져 있다. 이러한 배열의 단점은 전지의 전체 높이가 불가피하게 매우 높아서, 일부 상황에서 사용하기에 적합하지 않은 것이다. 대조적으로, 본 발명의 실시예는, 다른 구조의 길고 얇은 심지와 연관되어 있는 알려진 유사한 문제점이 제거되는 것을 보장하는 짧은 길이의 얇은 심지 재료(28)를 이용한다. 따라서, 반경방향의 저장조(11)는, 전지가 현재 사용할 수 있는 임의의 전지보다 상당히 짧게 만들어질 수 있게 한다. 이것은 전지가 장착될 검출기에 대해 디자인 선택의 폭을 넓게 한다.
중요하게, (예를 들어, 환형 저장조(11)에서) 심지(17)를 둘러싸는 저장조(11)의 배열은, 전해질(16)이 모든 면으로부터 심지(17)에 들어가서, 저장조(11)로부터 심지(17)로의 전해질(16)의 교환이 보다 효과적으로 이루어지는 것을 의미한다.
또한, 소정의 배향은 저장조로부터 심지로의 전해질의 연통이 보다 어려운 것을 의미하는 다른 공지의 설계와 달리, 심지(17) 주위에서 환형인 저장조(11)는 전지(10)가 배향 효과로부터 완전히 영향을 받지 않는 것을 의미한다.
모든 흡습성 전해질 전지들에 대해, 주위 습도와 평형이 되는 물 흡수 또는 손실의 문제가 일어나며, 예를 들어 본 발명의 실시예에 따른 전지들은 그들이 사용되는 위치 및 방법에 관계없이 이러한 종류의 효과가 적용될 것이다. 일부 방법에서, 가정 환경의 제약은 본 발명의 실시예에 따른 전지들이 다른 적용처에서 사용되는 것보다 제어된 환경에 있을 수 있는 것을 의미한다. 따라서, 본 발명의 실시예들에 대한 범위는 가정 환경 이외에 보다 큰 적용처를 갖도록 존재한다. 이러한 보다 극한의 조건들은, 예를 들어 검출기가 100% rH(상대 습도)를 갖는 다른 환경에서 수행될 산업용 적용처를 포함하는 영역을 포함한다.
당 업계에 공지된 바와 같이, 그리고 이하에서 도 8과 관련하여 논의되는 바와 같이, 본 발명의 양태들 및 실시예들의 전지(10)는 높은 임피던스 OP 앰프 회로를 이용하는 전류측정 모드에서 작동될 수 있다. 상술한 발명의 실시예의 전기화학 전지(10)는, 특히 가스 검출기에서 이용될 수 있다. 산화성 가스를 포함하는 광범위한 대상 가스, 예를 들어, 이것으로 한정되는 것은 아닌, 암모니아, 일산화탄소(CO), 디보란, 불소, 히드라진, 수소(H2), 시안화수소, 불화수소, 셀렌화수소, 황화수소(H2S), 염화수소(HCl), 브롬화수소(HBr), 아르신(AsH3), 메르캅탄, 산화질소, 포스겐, 포스핀(PH3), 실란, 이산화황(S02), 또는 염소(Cl2)가 검출될 수 있다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예는 또한 환원성 가스, 예를 들어 이산화염소, 산화에틸렌, 이산화질소, 산소, 및 오존을 검출하기 위해 이용될 수도 있다.
가정용 및 상업용 시장 모두에서 특히 관심이 있는 분야는 일산화탄소(CO) 검출기이다. CO 검출기는 시간이 지남에 따라 CO 레벨을 측정하고, 소정의 레벨에 도달하기 전에 경보를 발생하도록 설계된다. CO는 전문화된 탐지 장비 없이 검출하기 어렵거나 불가능하고, 인간에게 잠재적으로 위험하며, 종종 치명적이기 때문에, 이러한 종류의 검출기는 특히 유용하다. 상술한 바와 같은 실용적인 관점에서, 본 발명의 실시예는 대향 전극에서의 산소 소비량의 원리로 작동하는 임의의 전지 내에 통합될 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학 전지(10)는 가스 검출기, 예를 들어 CO 검출기에 이용될 수 있다. 작동하는 동안, 전지(10)에 의해 생성된 전류는 분위기 중의 CO(또는 다른 가스)의 농도와 관련된다. 바람직하게, 본 발명의 실시예의 전기화학 전지(10)는 임의의 변형 없이 종래의 방법으로 종래의 전기화학 전지의 위치에서 가스(예를 들어 CO) 검출기로 통합될 수 있다.
전지(10)는 검출될 가스의 목표 농도에 일치되도록 구성될 수 있다. 전지(10)는 불필요한 가스의 필터링을 위해 화학 필터(27)(도 3에 표시됨)를 포함할 수 있다. 이것은 대상 가스를 확실하게 검출하도록 전지(10)가 특정하게 위치될 수 있게 한다. 본 발명의 양태의 실시예들은, 통상적으로 발생하는 것보다 높은 것을 포함하는 임의의 가스 농도로 될 수 있고, 이에 노출되도록 설계된다. 전지는 10,000ppm 미만의 대상 가스를 검출하도록 구성될 수 있고, 바람직하게는 CO가 짧은 노출 시간 동안 인간에게 독성이 되는 레벨인 1,000ppm 미만의 대상 가스를 검출하도록 구성될 수 있으며, 이것으로 한정되는 것은 아니다.
심지(17) 또는 전극 스택을 둘러싸는 저장조(11)를 포함하는 본 발명의 양태/실시예의 경우, 이것은 두 배의 높이를 갖는 공지된 전지와 적어도 동일한 성능 레벨로 작동하는 전지를 제공하는 것이 바람직하게 밝혀졌다. 전지를 배치하고자 하는 위치가 큰 전지를 쉽게 수용할 수 없는 위치이거나, 또는 전지가 큰 돌출부로 인하여 손상될 가능성이 있는 위치인 경우가 있을 수 있다. 따라서, 축방향으로부터 주변 저장조로 기하형태의 변화는 명백히 장점이 있다.
도 8은 두 개(또는 세 개)의 전극 전지(10)를 통합한 CO 검출기에 사용될 수 있는 예시적인 제어 회로(30)를 도시한다. 당업자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 회로(30)는 전지(10)를 구동하기 위한 간단한 포텐시오스타트 회로(potentiostat circuit)이다. 전지(10)는 도 8의 좌측에 도시되며, 작동(감지) 및 대향 전극(12, 14)이 회로(30)에 연결된 것을 볼 수 있다.
작동에서, 대상 가스에 노출될 때 전기화학 전지(10)는 전류를 생성할 것이고, 이 전류는 전지가 노출되는 가스의 농도에 직접 관련된다. 이 전류는 전지(10)를 가로질러 작은 전압 차이를 발생시키는, 레지스터(32)를 통해 흐른다. 전극(12, 14)의 전위를 조절하고, 센서(30)가 최대 효율로 작동할 수 있는 것을 보장하기 위해, 연산 증폭기(OP 앰프)(34)가 제공된다. 전지 전극이 바이어스되지 않은 것을 의미하는 낮은 입력 오프셋 전압을 갖는 임의의 연산 증폭기가 이용될 수 있다. 연산 증폭기(34)는 전지(10)를 가로질러 생성되는 작은 전압의 균형을 유지하기 위하여, 작동 전극에 피드백 전압을 제공한다. 따라서, 생성된 전압, Vout는 전지(10)를 통해 흐르는 전류와 직접 관련되며, 따라서 전지(10)가 노출되는 대상 가스의 농도와 직접 관련된다.
두 개의 레지스터(36, 38)는 연산 증폭기(34)의 이득을 제어한다. 서미스터(40)는 선택적으로 전지(10) 및 회로(30)에서 온도의 영향을 보상하기 위해 제공될 수 있다. 커패시터(42, 44)는 회로(30)의 노이즈를 감소시키기 위해 제공된다.
도 9는 가스 캐비티(26)의 제공이 전지(10)의 성능에 미치는 효과를 도시한다. 그래프는 전지를 시험 챔버에 배치하고 4시간 동안 400ppm CO(일산화탄소 백만 당 400부)에 노출시킨 결과를 나타낸다. 그래프는 세로축에 전류 출력(마이크로암페어)을 나타내고, 가로축에 경과 시간(분)을 도시한다. 이상적인 센서의 경우, 생성된 전류는 가스의 농도에 정비례한다. 따라서, 이상적인 검출기의 전류 출력은 도 9의 그래프 상에서 수평 라인이 될 것이다.
플롯 A는 가스 캐비티(26)가 없는 전지로부터의 출력을 나타내는 제어 결과이다. B라고 표시된 다섯 개의 플롯은, 1mm 내지 4㎜ 범위의 상이한 크기의 가스 캐비티(26)를 갖는 본 발명에 따른 전지로부터의 결과이다. 캐비티(26) 내의 가스는 초기에는 공기였지만, 상기 설명한 바와 같이, 캐비티(26) 내에서 가스의 조성은 시간이 지남에 따라 약간 변할 수 있다. 플롯 'B'에 대한 결과를 제공하는 전지는 3분 이내에 400ppm CO에서 경보를 제공하도록 설계되었음에 유의해야한다.
도 9의 그래프는 명백하게, 플롯 A에 대한 결과를 제공한 전지의 전류 출력은 시간이 지남에 따라 현저히 감소하고, 반면에 공기 캐비티를 갖는 전지에 대한 결과는 훨씬 더 안정적이고 시간이 지남에 따라 현저히 감소하지 않는 전류 출력을 나타낸 것을 도시한다. 분명히, 이 시험에서 일정한 가스 농도가 적용되기 때문에, 수평으로부터 멀리 떨어져서 'B' 플롯의 약간의 편차가 있지만, 그 결과는 공지된 전지 구조의 개선을 명백하게 나타낸다. 즉, 밀봉된 캐비티(26)를 가짐으로써, 전지(10)는 (고습으로 인한) 전해질 체적의 영향 및 (배향 효과로 인한) 침수를 겪지 않는다. 플롯 'B'는 또한, 이 시험의 범위 내에서, 네 개의 결과들 사이에 약간의 차이가 있음을 보여준다. 다시 말해서, 사용된 전지의 크기는 전지의 성능에 큰 영향을 주지 않았다. 일반적으로, 임의의 크기의 가스 캐비티, 예를 들어 공극의 제공은 가스 캐비티 또는 공극을 갖지 않는 전지에 비해 전지의 성능을 크게 향상시켰다.
당연히, 본 명세서에서 기술된, 다양한 양태들 및 실시예들 그리고 이와 관련된 특성들 및 구성요소들은 임의의 조합으로 이용될 수 있다. 예를 들어, 전기화학 전지는 이하의 제23항 내지 제36항에 기재된 제2 양태의 특성들 중 일부 또는 전부와 함께, 이하의 제1항 내지 제22항에 기재된 제1 형태의 특성들 중 일부 또는 전부를 포함할 수 있다. 가스 검출기는 이러한 특성의 조합을 갖는 전기화학 전지를 포함할 수 있다.
Claims (43)
- 주변 환경으로부터 가스를 검출하기 위한 전기화학 전지로서,
상기 전지는
전해질;
상기 전해질 및 존재할 때 검출되는 상기 가스와 유체 연통하는 감지 전극;
상기 전해질과 유체 연통하는 대향 전극;
대향 전극에 인접하는 캐비티 내에 제공된 반응 가스의 소스를 포함하며,
감지 전극에서 검출되는 상기 가스의 반응은 대향 전극에서 반응 가스의 반응을 일으키고;
상기 캐비티는 막으로 형성되거나 막을 포함하는,
전기화학 전지.
- 제1항에 있어서,
상기 캐비티는 가요성 구조인,
전기화학 전지.
- 제1항에 있어서,
상기 캐비티는 강성 구조인,
전기화학 전지.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 막은 가스 반투과성인,
전기화학 전지.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 막은 가스는 투과성인,
전기화학 전지.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전지는 전지 내부로부터의 가스로 반응 가스를 보충하도록 구성되는,
전기화학 전지.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
가스 캐비티는 상기 대향 전극을 적어도 일부 또는 전부 덮도록 치수설정되는,
전기화학 전지.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
가스 캐비티는 전지 외부의 가스 환경으로부터 밀봉되는,
전기화학 전지.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
검출되는 가스는 전해질을 통해 감지 전극에 도달하는,
전기화학 전지.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
가스 캐비티 내에 제공된 가스의 체적이 미리 결정된,
전기화학 전지.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
감지 전극, 대향 전극 및 가스 소스가 하우징에서 제공되는,
전기화학 전지.
- 제11항에 있어서,
가스 소스는 대향 전극과 하우징 사이에서 제공되는,
전기화학 전지.
- 제11항 또는 제12항에 있어서,
가스 소스는 상기 하우징에 고정되고/고정되거나 상기 대향 전극에 밀봉되는,
전기화학 전지.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
가스 소스는 전해질에 불투과성인,
전기화학 전지.
- 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
가스 소스는 가스에 투과성인,
전기화학 전지.
- 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
가스 소스에서의 가스는 산소이거나 산소를 포함하는,
전기화학 전지.
- 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
심지(wick)를 더 포함하는,
전기화학 전지.
- 제17항에 있어서,
감지 전극, 심지, 대향 전극 및 가스 소스는 서로에 대해 축 방향으로 정렬되어서 스택을 형성하는,
전기화학 전지.
- 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
하나 이상의 추가 전극을 더 포함하는,
전기화학 전지.
- 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
제3 전극 또는 기준 전극을 더 포함하는,
전기화학 전지.
- 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
하나 이상의 추가 감지 전극 또는 작동 전극을 더 포함하는,
전기화학 전지.
- 제1항 내지 제19항 및 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 대향 전극은 결합된 대향 전극 및 기준 전극인,
전기화학 전지.
- 가스를 검출하기 위한 전기화학 전지로서,
전해질을 함유하는 저장조;
상기 전해질 및 존재할 때 검출되는 상기 가스와 유체 연통하는 감지 전극;
상기 전해질과 유체 연통하는 대향 전극; 및
상기 감지 전극과 상기 대향 전극 사이에서 축 방향으로 연장되어 이들 사이에 전해질에 대한 연통 경로를 제공하는 심지(wick)를 포함하며,
상기 저장조는 상기 심지를 둘러싸는,
전기화학 전지.
- 제23항에 있어서,
상기 저장조는 주로 심지에 횡 방향으로 연장되는,
전기화학 전지.
- 제23항 또는 제24항에 있어서,
상기 저장조는 심지를 둘러싼 환형 저장조인,
전기화학 전지.
- 제23항, 제24항 또는 제25항에 있어서,
감지 전극, 심지 및 대향 전극은 서로에 대해 축 방향으로 배열되어서 스택을 형성하고, 저장조는 주로 상기 스택에 횡 방향으로 연장되는,
전기화학 전지.
- 제26항에 있어서,
상기 저장조는 스택을 둘러싸거나 또는 부분적으로 둘러싸는,
전기화학 전지.
- 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 심지를 더 포함하는,
전기화학 전지.
- 제28항에 있어서,
상기 제2 심지는 심지에 횡 방향으로 연장되는,
전기화학 전지.
- 제28항 또는 제29항에 있어서,
상기 제2 심지는 박편 엘리먼트이거나 박편 엘리먼트를 포함하는,
전기화학 전지.
- 제28항, 제29항 또는 제30항에 있어서,
상기 제2 심지는 환형 심지인,
전기화학 전지.
- 제23항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
감지 전극, 대향 전극 및 심지가 하우징에서 제공되며, 상기 하우징은 저장조를 형성하는,
전기화학 전지.
- 제23항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
하나 이상의 추가 전극을 더 포함하는,
전기화학 전지.
- 제23항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
제3 전극 또는 기준 전극을 더 포함하는,
전기화학 전지.
- 제34항에 있어서,
하나 이상의 추가 감지 전극 또는 작동 전극을 더 포함하는,
전기화학 전지.
- 제23항 내지 제33항 및 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 대향 전극은 결합된 대향 전극 및 기준 전극인,
전기화학 전지.
- 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항의 전기화학 전지의 특성을 포함하고, 제23항 내지 제36항 중 어느 한 항의 전기화학 전지의 특성을 더 포함하는,
전기화학 전지.
- 제1항 내지 제37항 중 어느 한 항의 전기화학 전지, 및
감지 전극과 대향 전극 사이에 흐르는 전류를 측정하기 위한 수단을 포함하며,
측정된 전류는 검출된 가스의 농도의 지표인,
가스 검출기.
- 제38항에 있어서,
산화성 가스를 검출하기 위해 구성된,
가스 검출기.
- 제2항 내지 제36항 중 어느 한 항에 종속되는 제38항에 있어서,
산화성 가스 또는 환원성 가스를 검출하기 위해 구성된,
가스 검출기.
- 제38항, 제39항 또는 제40항에 있어서,
암모니아, 일산화탄소, 염소, 디보란, 불소, 히드라진, 수소, 시안화수소, 불화수소, 셀렌화수소, 황화수소, 염화수소, 브롬화수소, 아르신, 메르캅탄, 산화질소, 포스겐, 포스핀, 실란 또는 이산화황 중 하나 이상을 검출하기 위해 동작가능한,
가스 검출기.
- 실질적으로 첨부 도면의 도 2 내지 5, 7, 8 및 9 중 어느 하나를 참조하여 이전에 설명된 바와 같은 전기화학 전지.
- 실질적으로 첨부 도면의 도 2 내지 5, 7, 8 및 9 중 어느 하나를 참조하여 이전에 설명된 바와 같은 가스 검출기.
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